基于無線傳感器網絡的溫室大棚環境監測系統設計

牛青松，胡永強，鄧西金，李積雲

(青海省科學技術信息研究所，青海西寧 810008)

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基于無線傳感器網絡的溫室大棚環境監測系統設計

牛青松，胡永強，鄧西金，李積雲

(青海省科學技術信息研究所，青海西寧 810008)

針對目前溫室大棚環境監測系統存在布線困難、靈活性低和成本高等問題，構建了基于無線傳感器網絡(WSN)的溫室大棚環境監測系統，并重點對傳感節點和網關節點進行了設計。該系統的傳感器節點負責對環境參數進行采集，并通過無線傳感器網絡將數據發送到網關節點，網關節點再向遠程監測平臺傳輸數據。節點硬件的微處理器模塊采用MSP430F149單片機進行數據處理和控制；無線通信模塊由nRF905射頻芯片及其外圍電路組成，負責對數據進行傳輸和接收；傳感器模塊采用AM2301傳感器進行數據測量；電源模塊以LT1129-3.3、LT1129-5 和Max660 組成的電路提供3.3 和±5.0 V電源。節點的無線路由協議和時間同步算法均采用C語言開發，實現節點數據采集與處理、規則轉發和遠程傳輸等功能。遠程監測軟件采用NET.ASP、HTML和C#開發，為用戶提供形象直觀的Web模式遠程數據管理平臺。該系統在青海省西寧市溫室大棚進行了組網測試，結果表明系統運行穩定可靠，網絡平均丟包率為2.4%，有效解決了溫室環境監測系統中存在的問題，滿足溫室大棚栽培環境監測的應用要求。

無線傳感器網絡；溫室環境；無線監測系統；網絡性能

無線傳感器網絡技術已經融入人們的生活和生產的各個領域，它被列為21世紀最有影響力的技術之一。最近，無線傳感器網絡的應用已涉及各個領域，而在農業領域更是得到了廣泛應用[1-5]。美國英特爾公司在俄勒岡州建立了一個葡萄園無線傳感器網絡[6]，并分析了網絡的性能。Aline Baggio[7]建立了一個基于T-MAC協議的WSN系統用于監控土豆的溫度、濕度和葉表面溫度。在牧場布置的無線傳感器網絡系統被設計用于收集農業信息如土壤含水量、空氣溫濕度、土壤鹽度等[8-11]。在農田部署的節點主要收集溫度、濕度、土壤含水量、陽光強度和二氧化碳濃度[12-15]。大規模種植面積和高要求環境被認為是溫室栽培的重要特性。盡管保持合適的溫度和濕度是作物生長的關鍵，但目前溫室環境的測量仍然依賴人工。筆者基于無線傳感器網絡硬件平臺，設計了一個溫室種植的無線傳感器監控系統。

1　無線監控系統的設計

無線監測系統由傳感器節點、網關節點和遠程管理平臺組成。傳感器節點用于收集溫室環境的數據，網關節點通過GPRS網絡將網絡數據傳輸到遠程管理平臺，無線傳感器網絡是以Ad hoc網絡的形式進行數據多跳或單跳傳輸。系統結構如圖1所示。

圖1　無線監控系統結構Fig.1　System structure of wireless monitoring

1.1系統硬件平臺

1.1.1傳感器節點。傳感器節點硬件平臺是由微處理器模塊、無線通信模塊、傳感器模塊、串口通信模塊和電源模塊組成，傳感器節點實物如圖2所示。

(1)微處理器模塊是核心組件。該系統選定AVR系列單片機MSP430F149為主控制芯片。微處理器模塊可支持實現設備管理、任務調度、數據集成和通信協議等功能。

(2)無線傳感器網絡的工作特征有著低功耗的需求，因此無線通信模塊是關鍵的部分。無線通信模塊必須滿足低功耗設計，可以根據不同的需求而改變其發射功率。無線通信模塊采用nRF905射頻模塊，工作電壓為1.9～3.6 V，工作于433/868/915MHz 3個ISM頻段，具有抗干擾能力強、低功耗和傳輸距離遠等特點。

圖2　傳感器節點實物Fig.2　Sensor nodes

(3)傳感器模塊負責完成對感興趣的物理參數的收集。AM2301傳感器主要收集的是環境溫度和濕度。

(4)JTAG下載模塊是嵌入式系統和計算機之間的程序下載接口。

1.1.2網關節點。網關節點硬件平臺是由微處理器模塊、無線通信模塊、GPRS模塊、數據存儲模塊、串口通信模塊和電源模塊組成，網關節點實物如圖3所示。

圖3　網關節點實物Fig.3　Gateway node

(1)網關節點與傳感器節點相同的采用MSP430F149和nRF905分別作為主要控制芯片和射頻芯片。

(2)GPRS模塊主要是負責網關節點和外部網絡之間的數據傳輸和發送警告信息。網關節點使用MC55作為GPRS模塊的主控芯片，并通過串口與控制器模塊通信。

(3)數據存儲模塊用于存儲網絡數據，確保數據完整性。數據被存儲在SD卡之前，數據將被傳輸到遠程管理平臺，管理者可以獲得整個網絡數據并分析溫室環境的變化規律。

(4)電源模塊采用2節鋰電池為網關每個模塊供電，2節鋰電池串聯后通過LT1129-5、LT1129-3.3 組成的電路轉換為3.3 V，為處理器模塊和無線通信模塊供電；通過LT1129-5、Max660 組成的電路轉換為±5.0 V，為傳感器模塊供電，并利用太陽能給電池充電，實現能源自給自足，有效延長網關節點的使用壽命。

1.2節點軟件平臺節點軟件平臺的設計會直接影響節點網絡的性能和穩定性。為了使系統節點有效地完成網絡任務，減少丟包率和保證網絡的同步，系統軟件的設計包括傳感器節點應用程序和網關節點應用程序。

(1)傳感器節點的應用程序實現底層驅動程序的調用、數據收集和傳播。設計思路如下：傳感器節點收集溫室環境數據并在到達所設定時間向網絡廣播；然后，傳感器節點進入接收模式接收其他節點的數據包，并判斷是否需要轉發或丟棄。當接收到網關節點發來的同步數據包后，傳感器節點設置當地時間并轉發同步數據包到網絡，然后進入睡眠模式等待下一個循環周期。傳感器節點程序流程見圖4。

圖4　傳感器節點程序流程Fig.4　Flow chart of sensor node software

(2)網關節點的應用程序實現了數據遠程傳輸和備份，并當數據異常時發送警告信息。設計思路如下：在系統啟動后，網關節點首先發送同步數據包到網絡，使整個網絡進入休眠。設定時間到達時，網關節點進入接收模式，從網絡接收數據包并將數據備份到SD卡。然后，發送同步數據包使網絡進入休眠狀態，并且通過GPRS網絡和互聯網將數據傳輸到遠程管理平臺。網關節點程序流程見圖5。

圖5　網關節點程序流程Fig.5　Flow chart of gateway node software

1.3遠程管理平臺的設計為了方便數據管理和咨詢，基于.NET開發平臺、SQL Server 2000和C# 設計了遠程管理平臺。用戶可以通過計算機和手機連接到互聯網或WAP網絡對數據進行遠程管理和咨詢。

遠程管理平臺主要包括數據實時顯示、數據統計分析、實時預警系統、歷史數據查詢等功能。

2　節點性能的組網試驗和分析

該研究設計的系統布置在青海省西寧市匯豐蔬菜種植基地進行試驗，對5個溫室環境進行了環境溫度和濕度的在線監測。每個溫室放置1個傳感器節點并配置3個傳感器測量溫室環境數據指標。傳感器節點部署現場如圖6所示。

圖6　環境監測傳感器節點安裝部署Fig.6　Node installation of environmental monitoring sensor nodes

該系統將通過網絡丟包率(PLR)測試來評估整個網絡的可靠性。數據采集周期設置為30 min，設置PLR測試時間為168 h。PLR測試結果如表1所示，表中LocalPakts表示每個節點發出的本地數據包的數量，ForwardingPakts表示節點轉發數據包的數量，Recpakts表示PC接收的數據包的數量，Lost表示每個節點的數據包丟失數量。下式是系統網絡丟包率的計算，測試結果表明該系統通信穩定可靠，整個網絡的平均丟包率為2.4%。

表1　網絡丟包率測試統計

圖7　溫室溫度8月19日數據Fig.7　Temperature in greenhouses on August 19th

圖8　溫室濕度8月19日數據Fig.8　Humidity in greenhouses on August 19th

通過AM2301傳感器對溫室環境溫度和濕度進行測量，平均數據由節點1、2、3、4和5采集并由網關節點遠程傳輸至服務器，其中8月19日的溫度、濕度監測數據分別見圖7、8。

3　結論

無線傳感器網絡是一種測量環境參數的有效工具。該研究設計的傳感器節點低功率，穩定可靠，能精確測量溫室環境溫濕度。分析測試結果表明，該無線傳感器網絡在試驗應用中能穩定運行，準確傳輸測量數據到遠程管理平臺，并且網絡丟包率低，滿足實際運行的需要。

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Design of Greenhouse Environment Monitoring System based on Wireless Sensor Network

NIU Qing-song, HU Yong-qiang, DENG Xi-jin et al

(Institute of Qinghai Science and Technology Information, Xining, Qinghai 810008)

According to the problems of difficult wiring, low flexibility and high cost in greenhouse environment monitoring system at present, we constructed the greenhouse environment monitoring system based on wireless sensor network (WSN). The sensing node and gateway node were designed. The sensor node in this system is used to collect environmental parameter. Data were sent to gateway node through wireless sensor network. The gateway node transmit data to remote monitoring platform. The microprocessor modules of node hardware used MSP430F149 Single Chip Microcomputer to process and control data. Wireless communication module is composed by nRF905 radio frequency chip and its peripheral circuit, which were used to transmit and receive the data. Sensor module used AM2301 sensor to measure data. Circuit of power module was composed of LT1129-3.3, LT1129-5 and Max660, so as to provide 3.3 and ±5 V power supply. Wireless routing protocol in the node was developed by C language, and realized the node data acquisition and treatment, rules retransmission and Tele transmission and so on. Remote monitoring software used NET.ASP, HTML and C# for development, which provided visual and intuitionistic WEB mode remote data management platform. Networking testing of this system was carried out in greenhouse in Xining City of Qinghai Province. Results showed that the system was stable and reliable. The average packet loss rate was 2.4%, which effectively solve the problems in greenhouse environment monitoring system, and met the requirements for application of greenhouse cultivation environment monitoring.

Wireless sensor network; Greenhouse environment; Wireless monitoring system; Network performance

青海省企業技術創新資金計劃項目(2015-GX-Q22)。

牛青松(1977- )，男，山東金鄉人，實習研究員，從事農業信息技術、無線網絡傳感技術研究。

2016-06-22

S 126

A

0517-6611(2016)24-235-03